(57)【要約】【課題】火花点火式直噴エンジンにおいて、冷却損失を低減することにある。【解決手段】燃料噴射弁３３は、気筒（シリンダ）１１の軸心Ｘ位置に配置されかつ、径方向の外方に向かって拡がるように燃料噴霧を噴射し、ピストン１５冠面のキャビティ１５ａは、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって拡径するように、その側壁が気筒の軸線方向に対して傾斜している。制御器１００は、エンジン本体（エンジン１）の運転状態が高負荷領域にあるときには、燃料噴射弁により燃料を噴射する期間を、圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、当該噴射期間における前半では燃料噴霧のペネトレーションを小さくしかつ、噴射期間における後半では燃料噴霧のペネトレーションを大きく設定する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幾何学的圧縮比が１８以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、
前記気筒内に嵌挿されかつ、その冠面にキャビティが凹陥して形成されたピストンと、
前記エンジン本体の前記気筒と前記ピストンとによって区画される燃焼室内に燃料噴霧を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内への燃料噴射態様を制御するよう構成された制御器と、を備え、
前記燃料噴射弁は、前記気筒の軸心位置に配置されかつ、そこから径方向の外方に向かって拡がるように燃料噴霧を噴射し、
前記キャビティは、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって拡径するように、その側壁が、前記気筒の軸線方向に対して傾斜して構成されており、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも高い高負荷領域にあるときには、前記燃料噴射弁により燃料を噴射する期間を、圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、当該噴射期間における前半では前記燃料噴霧のペネトレーションを小さくしかつ、前記噴射期間における後半では前記燃料噴霧のペネトレーションを大きく設定する火花点火式直噴エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記燃料噴射弁は、ノズル口を開閉する外開弁を有しかつ、当該外開弁のリフト量が大きいほど、前記ノズル口から前記燃焼室内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなるように構成されており、
前記制御器は、前記噴射期間における前半では前記外開弁のリフト量を所定量に設定しかつ、前記噴射期間における後半では前記外開弁のリフト量を前記所定量よりも大きく設定する火花点火式直噴エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記キャビティは、キャビティ底部が径方向の外方から中央に向かって隆起するように、その底壁が前記気筒の軸線に直交する方向に対して傾斜している火花点火式直噴エンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記エンジン本体は、前記気筒の軸心が、クランク軸の回転中心に対し、クランク角の進み側にずれて配置されている火花点火式直噴エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する技術は、火花点火式直噴エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば特許文献１には、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を高めるべく、シリンダヘッド下面に凹陥したキャビティと、ピストン冠面に凸設した突起部と、によって、燃焼室内を中央燃焼室と主燃焼室とに区画しつつ、燃焼室全体として、圧縮比を１６程度の高圧縮比に設定すると共に、中央燃焼室内では混合気を相対的にリッチに、主燃焼室内では混合気を相対的にリーンにすることで、燃焼室全体として、混合気をリーンにしたエンジンが記載されている。
【０００３】
また、例えば特許文献２には、冷却損失を低減させて熱効率を向上させる観点から、燃焼室を区画形成する面を、多数の気泡を含んだ断熱材によって構成する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２１７６２７号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、火花点火式エンジンの理論サイクルであるオットーサイクルにおいては、圧縮比を高めれば高めるほど、また、ガスの比熱比を高めれば高めるほど、理論熱効率が高くなる。このため、前記特許文献１に記載されているような高圧縮比と混合気のリーン化との組み合わせは、熱効率（図示熱効率）の向上に、ある程度は有利になるものの、この場合、圧縮比１５程度で図示熱効率が最大になり、それ以上に圧縮比を高めても、図示熱効率は高くならない（逆に、圧縮比を高めれば高めるほど、図示熱効率が低くなる）。これは、混合気がリーンであるため比較的大量の空気がシリンダ内に導入される一方で、そのシリンダ内の大量の空気が、高圧縮比化に伴い大きく圧縮されて燃焼圧力及び燃焼温度が大幅に高くなってしまうためである。つまり、高い燃焼圧力及び燃焼温度によってシリンダの壁面等を通じた熱の放出量が増え、冷却損失が大幅に増大する結果、図示熱効率が低くなってしまうのである。そのため、高圧縮比エンジンにおける熱効率の向上には、冷却損失の低減が重要である。
【０００６】
そこで、本願発明者らは、幾何学的圧縮比を１８以上とする高圧縮比を実現するために、ピストンの冠面に比較的小さい容積のキャビティを形成し、それによってスキッシュエリアが拡大したエンジンとした上で、燃料噴霧をそのキャビティ内に噴射して燃焼を行うことを検討した。
【０００７】
ここで、冷却損失は、燃焼室の区画壁に接触する燃焼ガスの温度と、その区画壁の温度と温度差に比例することから、燃焼ガスが区画壁に接触すること自体を抑制すべく、燃料噴霧のペネトレーションを小さくし、それによって燃料噴霧がキャビティの側壁や底壁に到達しないようにすることを検討した。こうしたキャビティ内の成層化は、燃焼ガスがキャビティの側壁や底壁に接触することを抑制、又は、回避して、冷却損失の低減に有利になる。
【０００８】
エンジンの運転状態が低負荷領域にあるときには、前述した小ペネトレーションの燃料噴霧によるキャビティ内の成層化によって、冷却損失を有効に低減することが可能である。しかしながら、エンジンの運転状態が高負荷領域にあって高トルクが要求されるときには、キャビティ内で成層化した燃焼では空気が足りずに、所望のトルクが得られないという新たな問題が生じることを、本願発明者らは見出した。
【０００９】
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高圧縮比の火花点火式直噴エンジンにおいて、冷却損失の低減と、高トルクの発生とを両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願発明者らは、エンジンの運転状態が高負荷領域にあるときには、スキッシュエリアに存在する空気によって空気利用率を高めるべく、燃料噴霧のペネトレーションを大きくして、噴射した燃料噴霧の一部がスキッシュエリアに到達するようにした。
【００１１】
具体的に、ここに開示する火花点火式直噴エンジンは、幾何学的圧縮比が１８以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、前記気筒内に嵌挿されかつ、その冠面にキャビティが凹陥して形成されたピストンと、前記エンジン本体の前記気筒と前記ピストンとによって区画される燃焼室内に燃料噴霧を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内への燃料噴射態様を制御するよう構成された制御器と、を備える。
【００１２】
そして、前記燃料噴射弁は、前記気筒の軸心位置に配置されかつ、そこから径方向の外方に向かって拡がるように燃料噴霧を噴射し、前記キャビティは、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって拡径するように、その側壁が、前記気筒の軸線方向に対して傾斜して構成されており、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも高い高負荷領域にあるときには、前記燃料噴射弁により燃料を噴射する期間を、圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、当該噴射期間における前半では前記燃料噴霧のペネトレーションを小さくしかつ、前記噴射期間における後半では前記燃料噴霧のペネトレーションを大きく設定する。
【００１３】
この構成によると、燃料噴射弁が気筒の軸心位置に配置されており、燃料噴射弁は、この軸心位置から径方向の外方に向かって燃料噴霧を噴射する。
【００１４】
制御器は、エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも高い高負荷領域にあるときには、燃料の噴射期間を圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、その噴射期間の前半では、燃料噴霧のペネトレーションを小さくする。噴射期間の前半は、ピストンが圧縮上死点付近に位置するから、噴射された燃料噴霧は、ピストンの冠面に凹陥して形成されたキャビティ内に到達するものの、背圧（言い換えると気筒内の雰囲気圧力）が高い状態にありかつ、燃料噴霧のペネトレーションが小さいため、その燃料噴霧がキャビティの側壁等に到達することは回避、又は、抑制される。その結果、噴射期間の前半に噴射された燃料による燃焼ガスは、キャビティの側壁等に接触することが回避され、冷却損失の抑制に有利になる。特に、噴射期間の前半に噴射された燃料は、圧縮上死点付近の気筒内圧力及び温度が高い状態で燃焼するため、燃焼ガスの温度が高くなって冷却損失の増大を招きやすいが、前述の通り、燃焼ガスと、キャビティの側壁等との接触そのものを回避又は抑制しているため、冷却損失の抑制に特に有効である。
【００１５】
そして、制御器は、噴射期間の後半では、燃料噴霧のペネトレーションを大きくする。
噴射期間の後半は膨張行程に相当し、背圧も低いことから、キャビティ内に噴射された燃料噴霧は、キャビティの側壁等に到達（言い換えると衝突）するようになる。ここで、キャビティの側壁は軸線方向に対し傾斜しているため、側壁に衝突した燃料噴霧の一部は、この側壁に沿って移動をして、キャビティ開口からキャビティの外、具体的にはキャビティ開口の周縁部であるスキッシュエリアに到達する。こうして、噴射期間の後半に噴射された燃料は、スキッシュエリアに存在する空気をも利用して燃焼するようになるから空気利用率が高まり、トルクの向上に有利になる。また、噴射期間の後半に噴射された燃料は、気筒内の温度及び圧力が次第に低下する膨張行程における燃焼となって、燃焼ガスの温度は比較的低くなるから、燃焼ガスがキャビティの側壁等に接触したとしても、冷却損失は抑制される。
【００１６】
こうして、高負荷領域において燃料噴射期間の前半と後半とで燃料噴霧のペネトレーションを切り替えることにより、冷却損失の低減と高トルクの確保とが両立する。
【００１７】
尚、エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料噴射期間の前半と後半とで燃料噴霧のペネトレーションを切り替えるのでなく、燃料噴霧のペネトレーションを小さく設定することが好ましい。こうすることによって、燃焼ガスがキャビティの側壁等と接触しなくなり、冷却損失を効果的に抑制して、燃費の向上に有利になる。
【００１８】
前記燃料噴射弁は、ノズル口を開閉する外開弁を有しかつ、当該外開弁のリフト量が大きいほど、前記ノズル口から前記燃焼室内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなるように構成されており、前記制御器は、前記噴射期間における前半では前記外開弁のリフト量を所定量に設定しかつ、前記噴射期間における後半では前記外開弁のリフト量を前記所定量よりも大きく設定する、としてもよい。
【００１９】
つまり、外開弁タイプの燃料噴射弁は、外開弁のリフト量と燃料噴霧のペネトレーションが概ね比例するようになるから、制御器を通じて、燃料噴射弁のリフト量の制御を行うことにより、噴射期間の前半における燃料噴霧のペネトレーションと、噴射期間の後半における燃料噴霧のペネトレーションとを切り替えることが、容易に実現する。
【００２０】
尚、ここで燃料噴射は、噴射期間の前半で行う前段噴射と、噴射期間の後半で行う後段噴射との、少なくとも２回の燃料噴射、つまり分割噴射を行うようにしてもよい。また、分割噴射ではなく、噴射期間中に継続する１回の噴射の途中で、外開弁のリフト量を変更するような連続的な噴射としてもよい。
【００２１】
前記キャビティは、キャビティ底部が径方向の外方から中央に向かって隆起するように、その底壁が前記気筒の軸線に直交する方向に対して傾斜している、としてもよい。
【００２２】
こうすることで、気筒の軸心から径方向の外方に向かって拡がるように噴射された燃料噴霧の一部は、傾斜した底壁に沿って案内されてキャビティ底部の周縁部に到達すると共に、そこから傾斜した側壁に沿って移動して、キャビティ開口を通じて、キャビティの外に至るようになる。このことにより、噴射された燃料噴霧の一部がスキッシュエリアに確実に到達するようになって、空気利用率の向上、ひいてはトルクの向上が確実に図られる。
【００２３】
前記エンジン本体は、前記気筒の軸心が、クランク軸の回転中心に対し、クランク角の進み側にずれて配置されている、としてもよい。
【００２４】
このような気筒のオフセット配置は、圧縮上死点後のピストンの下降速度を高めるから、スキッシュエリアが素早く拡大する。このことは、圧縮行程終期から膨張行程初期にかけての噴射期間の後半に噴射した燃料が燃焼するときの空気利用率を向上する上で有利になる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、前記の火花点火式直噴エンジンは、ピストンの冠面にキャビティが凹陥して形成された高圧縮比エンジンとして、その運転状態が高負荷領域にあるときに、燃料の噴射期間の前半では、燃料噴霧のペネトレーションを小さくして冷却損失の抑制を図る一方、噴射期間の後半では、燃料噴霧のペネトレーションを大きくすることで、空気利用率を高めてトルクを向上させるため、冷却損失の低減とトルク向上との両立を図ることが実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】火花点火式直噴エンジンの構成を概略的に示す図である。
【図２】燃料噴射弁の構成を示す断面図である。
【図３】燃料噴射弁の燃料噴射特性を例示する図である。
【図４】高負荷領域での燃料噴射態様（実線）と、低負荷領域での燃料噴射態様（一点鎖線）とを比較する図である。
【図５】外開弁が低リフト時の燃料噴霧の状態（上図）、及び、外開弁が高リフト時の燃料噴霧の状態（下図）の例示である。
【図６】図４とは異なる燃料噴射態様を例示する図である。
【図７】図１とは異なる構成のエンジンを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、火花点火式直噴エンジン（以下、単にエンジンとも言う）の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１に示すように、エンジン・システムは、エンジン１、エンジン１に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器１００を有する。
【００２８】
エンジン１は、火花点火式内燃機関であって、図例では一つのみ図示するが、複数のシリンダ１１を有する。エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部にシリンダ１１が形成されている。
【００２９】
図１には概念的に示すが、このエンジンでは、シリンダ１１の軸心Ｘが、クランクシャフトの回転中心Ｃに対して、図１に矢印で示すクランク角の進み側に、２０ｍｍ程度オフセットして配置されている。このシリンダ１１のオフセット配置によって、このエンジン１では特に、圧縮上死点後におけるピストン１５の下降速度を高めるようにしている。
【００３０】
ピストン１５は、各シリンダ１１内に摺動自在に嵌挿されており、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。この実施形態では、燃焼室１７は、シリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の上面を区画する天井面）及びピストン１５の冠面が共に、シリンダ１１の軸心Ｘに対して垂直な面で構成されている。ピストン１５の冠面には、比較的容積の小さいキャビティ１５ａが凹陥して形成されている。キャビティ１５ａは、この例では、図５に拡大して示すように、その底部が径方向の外方から中央に向かって隆起するように、底壁の一部が、シリンダ１１の軸線Ｘに直交する方向に対して傾斜している。また、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって、キャビティ１５ａが拡径するように、キャビティ１５ａの側壁が、シリンダ１１の軸心Ｘに対し傾斜している。こうして、このエンジン１では、小さいキャビティ１５ａと、それに伴い拡大したスキッシュエリア１５ｂとによって、高い幾何学的圧縮比を実現している。
【００３１】
図１には一つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路における上流側には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、スロットル弁２０は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けてその開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には一つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。触媒コンバータは、例えば三元触媒を含む。
【００３２】
吸気弁２１及び排気弁２２はそれぞれ、吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift））を備えるようにしてもよい。
【００３３】
点火プラグ３１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取り付けられている。点火プラグ３１は、この実施形態では、シリンダ１１の軸心Ｘに対し、排気側に傾斜した状態で取り付けられており、その先端部（電極）は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。尚、点火プラグ３１の配置はこれに限定されるものではない。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。一例として、点火システム３２はプラズマ発生回路を備え、点火プラグはプラズマ点火式のプラグとしてもよい。
【００３４】
燃料噴射弁３３は、この実施形態ではシリンダ１１の軸心Ｘに沿って配置され、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取り付けられている。燃料噴射弁３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。
【００３５】
図２に示すように、燃料噴射弁３３は、シリンダ１１内に燃料を噴射するノズル口４１を開閉する外開弁４２を有する、外開弁式のインジェクタである。ノズル口４１は、シリンダ１１の軸心Ｘに沿って延びる燃料管４３の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。燃料管４３の基端側の端部は、内部にピエゾ素子４４が配設されたケース４５に接続されている。外開弁４２は、弁本体４２ａと、弁本体４２ａから燃料管４３内を通ってピエゾ素子４４に接続された連結部４２ｂとを有している。弁本体４２ａの連結部４２ｂ側の部分が、ノズル口４１と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口４１に当接（着座）しているときには、ノズル口４１が閉状態となる。このとき、弁本体４２ａの先端側の部分は、燃料管４３の外側に突出した状態となっている。
【００３６】
ピエゾ素子４４は、電圧の印加による変形により、外開弁４２をシリンダ１１の軸心Ｘ方向の燃焼室１７側に押圧することで、その外開弁４２を、ノズル口４１を閉じた状態からリフトさせてノズル口４１を開放する。このとき、図５に概念的に示すように、ノズル口４１からシリンダ１１内に燃料が、シリンダ１１の軸心Ｘを中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、９０°〜１００°である（内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。そして、ピエゾ素子４４への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子４４が元の状態に復帰することで、外開弁４２がノズル口４１を再び閉状態とする。このとき、ケース４５内における連結部４２ｂの周囲に配設された圧縮コイルバネ４６がピエゾ素子４４の復帰を助長する。
【００３７】
ピエゾ素子４４に印加する電圧が大きいほど、外開弁４２の、ノズル口４１を閉じた状態からのリフト量（以下、単にリフト量という）が大きくなる。図３に示すように、このリフト量が大きいほど、ノズル口４１の開度が大きくなってノズル口４１からシリンダ１１内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる（長くなる）とともに、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなりかつ燃料噴霧の粒径が大きくなる。ピエゾ素子４４の応答は速く、燃料噴射中にリフト量を変更することが可能であり、軽負荷では、燃料噴射時間が例えば２ｍｓ程度であるが、その噴射時間内でもリフト量を変更することが可能である。
【００３８】
図３は、外開弁タイプの燃料噴射弁３３の燃料噴射特性を例示している。これによると、前述の通り、外開弁のリフト量が大きいほど、ペネトレーションが大きくなる。また、同一リフト量であれば、背圧（燃焼室１７内の雰囲気圧力）が高いほど、ペネトレーションは小さくなる。
【００３９】
燃料供給システム３４は、外開弁４２（ピエゾ素子４４）を駆動するための電気回路と、燃料噴射弁３３に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子４４及び外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、シリンダ１１内に噴射させる。上記噴射信号の非出力時（噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁４２によりノズル口４１が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子４４は、エンジン制御器１００からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器１００は、ピエゾ素子４４の作動を制御して、インジェクタのノズル口４１からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。ここで、このエンジン１の燃料は、この実施形態ではガソリンであるが、これに限定されるものではなく、例えばガソリン含有の各種の液化燃料としてもよい。
【００４０】
エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。
【００４１】
エンジン制御器１００は、図１に示すように、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、以下のようなエンジン１の制御パラメーターを計算する。例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等である。そしてエンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエーター）、燃料供給システム３４、点火システム３２、及びＶＶＴ２３等に出力する。
【００４２】
このエンジン１の特徴的な点は、エンジンの図示熱効率を高めて、燃費性能を従来に比べて大幅に向上させる観点から、エンジン１の幾何学的圧縮比εを１８以上４０以下の超高圧縮比に設定すると共に、少なくとも部分負荷の運転領域においては空気過剰率λを２以上８以下に設定して、混合気をリーン化することに対し、燃焼室１７の断熱構造を、さらに組み合わせる点にある。
【００４３】
ここで、このエンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。尚、圧縮比＜膨張比となる構成（例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル）を採用してもよい。
【００４４】
また、燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されており、これらの各面に、後述する構成を有する断熱層６１，６２，６３，６４，６５が設けられることによって、燃焼室１７が断熱化されている。尚、以下において、これらの断熱層６１〜６５を総称する場合は、断熱層に符号「６」を付す場合がある。断熱層６は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層６１は、ピストン１５が上死点に位置した状態で、そのピストンリング１４よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層６１上をピストンリング１４が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層６１はこの構成に限らず、断熱層６１を下向きに延長することによって、ピストン１５のストロークの全域、又は、その一部に断熱層６１を設けてもよい。尚、図１に図示する各断熱層６１〜６５の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。
【００４５】
このリーンバーンエンジン１では、前述の通り幾何学的圧縮比εを１８≦ε≦４０に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率ηｔｈは、ηｔｈ＝１−１／（εκ−１）であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率ηｔｈは高くなる。また、ガスの比熱比κを高めれば高めるほど、言い換えると、空気過剰率λを高めれば高めるほど、理論熱効率ηｔｈは高くなる。
【００４６】
しかしながら、エンジン（正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン）の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε（例えば１５程度）でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。つまり、燃焼室１７を区画する面を通じて熱が放出することに伴う冷却損失は、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定され、燃焼ガスの圧力及び温度が高くなるほど熱伝達率は高くなるから、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、その分、冷却損失を増大させることになる。その結果、リーンバーンエンジンは、幾何学的圧縮比が高くなればなるほど、図示熱効率が低下してしまうのである。このように、混合気をリーン化しつつ、幾何学的圧縮比を高めることによってエンジンの図示熱効率を高めようとしても、冷却損失が増大することにより、理論熱効率よりも大幅に低い図示熱効率で頭打ちなってしまう。
【００４７】
これに対し、このリーンバーンエンジン１では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、燃焼室１７の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室１７の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。
【００４８】
一方で、燃焼室１７を断熱化して冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このリーンバーンエンジン１では、前述したように、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、このリーンバーンエンジン１は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
【００４９】
ここで、空気過剰率λについて検討する。空気過剰率λが２よりも低くなると燃焼室１７内の最高燃焼温度が高くなって、燃焼室１７からＲａｗＮＯｘが排出され得る。前述したように、このリーンバーンエンジン１は、冷却損失と共に排気損失の低減をも図っているため、排気温度が比較的低く触媒の活性化には不利である。そのため、燃焼室１７からのＲａｗＮＯｘの排出を回避乃至抑制することが望ましく、そのためには、空気過剰率λを２以上に設定することが好ましい。より好ましくは、２．５以上である。言い換えると、燃焼室１７内の最高燃焼温度が所定温度（例えば、ＲａｗＮＯｘが生成し得る温度としての１８００Ｋ（ケルビン））以下となる範囲で、空気過剰率λを設定することが望ましい。エンジン制御器１００は、例えばエンジン１の部分負荷における運転領域内で、負荷の上昇に伴い（言い換えると、燃料噴射量の増量により空気過剰率λが下がることに伴い）、最高燃焼温度が所定温度を超えるようなときには、空気過剰率λを上げてエンジン１を運転することが望ましい。
【００５０】
一方、本願発明者らの検討によると、空気過剰率λ＝８で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、２≦λ≦８が好ましい。尚、エンジン１の全負荷を含む高負荷の運転領域においては、トルク優先により、空気過剰率λをさらに下げて例えばλ＝１又はλ≦１としてもよい。前記の空気過剰率λの数値範囲は、エンジン１の、中負荷及び低負荷の運転領域における好ましい範囲である。尚、混合気のリーン化は、スロットル弁２０を開き側に設定することになるから、ガス交換損失（ポンピングロス）の低減による図示熱効率の向上にも寄与し得る。
【００５１】
次に、燃焼室１７の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室１７の断熱構造は、前述したように、燃焼室１７を区画する各区画面に設けた断熱層６１〜６５によって構成されるが、これらの断熱層６１〜６５は、燃焼室１７内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室１７を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ１１の壁面に設けた断熱層６１については、シリンダブロック１２が母材であり、ピストン１５の冠面に設けた断熱層６２についてはピストン１５が母材であり、シリンダヘッド１３の天井面に設けた断熱層６３については、シリンダヘッド１３が母材であり、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層６４，６５については、吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ母材である。従って、母材の材質は、シリンダブロック１２、シリンダヘッド１３及びピストン１５については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁２１及び排気弁２２については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。但し、前述したように、このリーンバーンエンジン１は排気損失を低減していることから、排気ガス温度が大幅に低下しているため、特に排気弁２２については耐熱鋼でなくても、従来は使用することができなかった、又は、使用することが困難であった材料（例えばアルミニウム合金等）を使用することも可能である。
【００５２】
また、断熱層６は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室１７内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室１７を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。
【００５３】
一方で、冷却損失は、前述の通り、冷却損失＝熱伝達率×伝熱面積×（ガス温度−区画面の温度）によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、前述したように、燃焼室１７の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。
【００５４】
そこで、前記の断熱層６は熱容量を小さくし、燃焼室１７の区画面の温度が、燃焼室１７内のガス温度の変動に追従して変化することが好ましい。
【００５５】
また、断熱層６の熱容量を小さくすることは、排気損失の低減にも有利になる。つまり、仮に断熱層の熱容量が大きいときは、燃焼室１７内の温度が低下したときでも、区画面の温度が下がらない一方で、燃焼室１７が断熱構造を有しているため、燃焼室１７内の温度を高温のままに維持してしまう。このことは、結果として排気損失を増大させることになり、エンジン１の熱効率の向上を阻害する。
【００５６】
これに対し、断熱層６の熱容量を小さくすることは、燃焼室１７内の温度が低下したときに、それに追従して区画面の温度が低下する。従って、燃焼室１７内の温度を高温に維持してしまうことを回避し得るから、前述した、温度追従性に伴う冷却損失の抑制のほか、排気損失の抑制にも有利になり得る。
【００５７】
断熱層６の例示として、この断熱層６は、シリンダ１１の壁面、ピストン１５の冠面、シリンダヘッド１３の天井面、並びに、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッド面、つまり、燃焼室１７を区画する区画面に、例えばプラズマ溶射により形成した、ジルコニア（ＺｒＯ２）、又は、部分安定化ジルコニア（ＰＳＺ）の皮膜によって構成してもよい。ジルコニア又は部分安定化ジルコニアは、熱伝導率が比較的低くかつ、容積比熱も比較的小さいため、母材よりも熱伝導率が低くかつ、容積比熱が母材と同じか、それよりも小さい断熱層６が構成される。
【００５８】
また、本実施形態では、図１に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ１８１を、シリンダヘッド１３に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート１８に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート１８を通過するときに、シリンダヘッド１３から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避する。これによってシリンダ１１内に導入する新気の温度（初期のガス温度）が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室１７の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くするから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート１８に設ける断熱層の構成は、ポートライナ１８１の鋳ぐるみに限定されない。
【００５９】
そうして、このエンジン１ではさらに、冷却損失の低減を目的として、燃焼ガスが燃焼室を区画する壁面に接触することを抑制するようにしている。具体的には、エンジン１の運転状態が低負荷領域にあるときには、エンジン制御器１００は、図４に一点鎖線で示すように、燃料噴射弁３３による燃料の噴射期間を、例えば圧縮上死点からＡＴＤＣ２０°ＣＡの範囲に設定すると共に、その外開弁４２のリフト量を比較的小さく設定することにより燃料噴霧のペネトレーションを小さくしている。このことによって、例えば図５の上図に示すように、キャビティ１５ａ内に噴射された燃料噴霧が、キャビティ１５ａの側壁に到達（つまり衝突）しないようにして、キャビティ１５ａ内において、キャビティ１５ａの側壁や底壁と、燃焼ガスとの間に燃焼に寄与しない層、具体的には空気層又はリーンな層を介在させる。この層の介在によって、燃焼ガスがキャビティ１５ａの側壁及び底壁に接触してしまうことが抑制されるから、冷却損失の低減に有利になる。
【００６０】
一方、エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときには、トルクの向上が要求されるものの、低負荷領域での燃焼のようにキャビティ１５ａ内で成層化してしまうと、空気が不足してしまい、トルク向上には不利になる。そこで、エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときには、エンジン制御器１００は、図４に実線で示すように、燃料噴射弁３３による燃料の噴射期間を、例えば圧縮上死点からＡＴＤＣ２０°ＣＡの範囲に設定すると共に、外開弁４２のリフト量を、噴射期間の前半である圧縮上死点からＡＴＤＣ１０°ＣＡまでの前段噴射では、相対的に小さく設定する一方、噴射期間の後半であるＡＴＤＣ１０°ＣＡからＡＴＤＣ２０°ＣＡまでの後段噴射では、相対的に大きく設定する。このことにより、噴射期間の前半に噴射された燃料噴霧は、圧縮上死点付近であって背圧が高い上に、リフト量が小さいことから、ペネトレーションが小さくなり（図３参照）、図５の上図に示すように、キャビティ１５ａの側壁や底壁への衝突が回避される。このことは、前述したように、冷却損失の低減に有利になる。特に、燃焼期間の前半で噴射された燃料は、圧縮上死点付近の、シリンダ１１内の温度及び圧力が比較的高い状態で燃焼することから、燃焼ガスの温度が高くなる。このため、冷却損失の増大に不利になるところ、燃焼ガスとキャビティ１５ａの側壁や底壁との接触そのものを回避又は抑制することで、冷却損失の増大を効果的に回避することが可能である。
【００６１】
これに対し、噴射期間の後半に噴射された燃料噴霧は、膨張行程であるため、背圧が低い上に、リフト量が大きいことから、ペネトレーションが大きくなり（図３参照）、図５の下図に示すように、その一部がキャビティ１５ａの側壁や底壁へ衝突する。その後、燃料噴霧の一部は、側壁や底壁に沿って案内されて、キャビティ開口を通じて、キャビティ１５ａの外、つまり、スキッシュエリア１５ｂへと到達するようになる（同図の矢印参照）。こうして、噴射期間の後半に噴射された燃料は、スキッシュエリア１５ｂに存在する空気をも利用して燃焼するようになり、空気利用率が高まって、トルクの増大に有利になる。
【００６２】
ここで、キャビティ１５ａの底壁を、シリンダ１１の軸心Ｘに対し直交する方向に傾斜させると共に、側壁をシリンダ１１の軸心Ｘに対し傾斜させることによって、シリンダ１１の軸心位置から、径方向の外方に向かって噴射された燃料噴霧の一部を、これら底壁及び側壁をガイドとして、スキッシュエリア１５ｂへと確実に導くことが可能になる。その結果、高負荷領域での高トルクの確保に有利になる。
【００６３】
また、シリンダ１１をオフセット配置していることで、圧縮上死点以降のピストン１５の下降速度が高くなる。このことは、膨張行程においてスキッシュエリア１５ｂを素早く拡大させ、噴射期間の後半に噴射された燃料が燃焼するときの空気利用率を向上させる。
【００６４】
一方、噴射期間の後半に噴射した燃料噴霧の一部を、キャビティ１５ａの底壁や側壁に衝突させるものの、噴射期間の後半は膨張行程に対応し、シリンダ１１内の温度及び圧力が次第に低下することから、燃焼ガスの温度は比較的低くなる。その結果、燃焼ガスがキャビティ１５ａの底壁や側壁と接触したとしても、冷却損失が大幅に増大してしまうことは回避される。
【００６５】
こうして、エンジン１の運転状態が高負荷領域にあるときには、冷却損失の低減と高トルクの確保とが両立する。
【００６６】
ここで、このエンジン１においては、適宜のタイミングで、点火プラグ３１により、混合気に対し強制的に着火を行ってもよいし、高圧縮比エンジンであることから自己着火（圧縮着火）を行うようにしてもよい。
【００６７】
尚、図４では、高負荷領域における燃料噴射態様として、相対的に小リフト量の前段噴射と、相対的に大リフト量の後段噴射との２回の噴射を行う分割噴射を行うようにしている。しかしながら、例えば図６に示すように、圧縮上死点からＡＴＤＣ２０°ＣＡまでの噴射期間の間中、燃料噴射を継続すると共に、その噴射期間の前半である圧縮上死点からＡＴＤＣ１０°ＣＡまでは、相対的に小リフト量とし、噴射期間の後半であるＡＴＤＣ１０°ＣＡ〜ＡＴＤＣ２０°ＣＡまでは、相対的に大リフト量となるように、リフト量を噴射途中で切り替えるようにしてもよい。
【００６８】
また、燃料噴射期間は、図例では、圧縮上死点からＡＴＤＣ２０°ＣＡの範囲に設定されているが、燃料噴射期間は、例えば圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内で、適宜設定すればよい。
【００６９】
さらに、燃焼室１７の形状は、図１に示す形状に限定されず、例えば図７に示すように、燃焼室１７の形状を、いわゆるペントルーフ形状にしてもよい。つまり、図７に示すエンジン１０では、シリンダヘッド１３の下面を、吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状にしている。また、ピストン１５の冠面は、その傾斜した天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部に、凹状のキャビティ１５ａが形成されている。このようなエンジン１０においても、その運転状態が高負荷領域にあるときに、燃料噴射期間の前半と後半とで燃料噴霧のペネトレーションを切り替えることにより、噴射期間の後半に噴射された燃料を、スキッシュエリアに存在する空気を利用して燃焼させることが可能になり、トルクを向上させることが可能になる。
【００７０】
また、ここに開示する技術は、前述したような、燃焼室１７の断熱構造を有する高圧縮比のリーンバーンエンジン１への適用に限定されるものではなく、例えば燃焼室１７の断熱構造を省略してもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１    エンジン（エンジン本体）
１０  エンジン（エンジン本体）
１１  シリンダ（気筒）
１５  ピストン
１５ａ  キャビティ
１７  燃焼室
１００  エンジン制御器
３３  燃料噴射弁
４１  ノズル口
４２ａ  外開弁
Ｃ  クランク軸の回転中心
Ｘ  シリンダの軸心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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